DE3634018A1 - Werkzeugwechselsystem fuer einen industrieroboter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Werkzeugwechselsystem für einen Industrieroboter mit frei beweglichem Roboterarm und unterschiedlichen, über Antriebe aktivierbaren Werkzeugen, insbesondere zur Oberflächenbearbeitung von Werkstücken, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Insbesondere auf den Technologiegebieten des Entgratens, Oberflächenbearbeitens sowie Prüfen und Montieren werden seit einiger Zeit im Rahmen einer automatisierten Ferti­ gung verstärkt Industrieroboter eingesetzt. Speziell für einen aufsichtsarmen automatisierten Fertigungsbetrieb mit Industrierobotern ist dabei ein automatischer Werkzeug­ wechsel und eine Überwachung der Werkzeuge bei der Ferti­ gung erforderlich. Auch müssen Bahn-,Werkstück- und/oder Aufspanntoleranzen sowie der Werkzeugverschleiß bei der Be­ arbeitung berücksichtigt werden.

Bisher werden für obige Aufgaben durchweg die gewöhnlichen Handwerkszeuge auf eine Industrieroboter-Anwendung um­ funktioniert. Dabei ergeben sich aber besondere Probleme, insbesondere bezüglich der Schnellwechselfähigkeit, Anpaß­ fähigkeit und Zugänglichkeit der Werkzeuge. Nur wenn diese Bedingungen hinreichend erfüllt sind, läßt sich der wirt­ schaftliche Einsatz des Industrieroboters rechtfertigen.

Beim Stand der Technik wird zur Gewährleistung obiger Rand­ bedingungen üblicherweise beim Werkzeugwechsel der zugehöri­ ge Antrieb mit ausgewechselt und an den Roboterarm angekop­ pelt. Es wurde bereits auch vorgeschlagen, nur das Werk­ zeug selbst auszuwechseln. Dabei ergibt sich jedoch ein sehr umständliches System in der Handhabung, wobei im einzelnen fünf Arbeitsschritte notwendig sind. Dadurch sind solche Systeme sehr langsam, wobei auch nur Werkzeuge mit gleichem Schaftdurchmesser gewechselt werden können. Insgesamt ist eine derartige Einheit schwer und unhandlich. Dies gilt auch für vom Stand der Technik bekannte Hochfrequenzspin­ deln, die mit einem integriertem Werkzeugwechselsystem für Werkzeugmaschinen und Bearbeitungszentren angeboten werden, wobei diese nicht überlastbar sind und sich bereits daher nicht für einen aufsichtsarmen Einsatz bei Industrierobotern eignen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Werkzeugwechsel­ system anzugeben, bei dem durch eine Schnellwechselfähig­ keit, Anpaßfähigkeit und gute Zugänglichkeit auszeichnet. Dabei sollen insbesondere auch unterschiedliche Schaftdurch­ messer der Werkzeuge möglich sein.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Gesamtheit der Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Wei­ terbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei der Erfindung lassen sich die verschiedenen Aspekte der Problemstellung insbesondere dadurch vorteilhaft lösen, daß ein integriertes, gewichtssparendes Schnellwechselfutter, welches an sich vom Stand der Technik bekannt ist, so modi­ fiziert wird, daß es in Kombination mit einem leistungs­ fähigen, leichtgewichtigen Druckluftmotor als Antrieb und einer anpaßfähigen, nachgiebigen Aufhängung dieses Antrie­ bes einsetzbar ist. Dabei kann als Antrieb beispielsweise ein handelsüblicher Druckluftmotor verwendet werden, der sich durch eine hohe Leistungsfähigkeit bei geringem Ge­ wicht auszeichnet. Besonders vorteilhaft ist dabei, daß ein solcher Antrieb überlastbar ist und ohne Schaden zum Still­ stand abgebremst werden kann. Der Druckluftmotor kann am Roboterarm mit einer Linearführung nachgiebig gelagert wer­ den, wobei mit Hilfe einer Druckluftfeder der Anpreßdruck des Werkzeuges einstellbar ist. Letzteres hat den Vorteil, daß der Anpreßdruck konstant bleibt und Werkstück-, Auf­ spann-und Bahntoleranzen sowie Schwingungen des Roboters ausgeglichen werden können. Dadurch ist der Werkzeugver­ schleiß kompensierbar und das Werkzeug vor Überlastungen schützbar. Außerdem sind Bahnkorrekturen über gegebenen­ falls zugeordnete Sensoren leicht möglich.

Als Sensoren können beispielsweise Potentiometer oder auch Endschalter an der Linearführung verwendet werden. Insbe­ sondere mit Hilfe eines Endschalters ist der Werkzeugver­ schleiß überwachbar. Mit einem solchen Endschalter an der Linearführung können auch Prüfvorgänge durchgeführt werden: Beispielsweise kann das Vorhandensein von Bohrungen, Nuten, Durchbrüchen etc. an den Werkstücken sowie gegebenenfalls abgebrochene Werkzeuge festgestellt werden.

Der Kern des erfindungsgemäßen Werkzeugwechselsystems ist ein Schnellwechselfutter, das gegenüber dem Stand der Technik vorteilhaft modifiziert ist: Insbesondere sind eine Anpassung an den Antrieb vorgenommen und in den beiden Funktionsteilen des Wechselsystems Ringnuten für die Betätigung einer Schiebe­ hülse für das Spannfutter einerseits und für die Ablage der Werkzeugaufnahmen andererseits angebracht. Die Werkzeugauf­ nahmen mit Mitnehmernuten sind durch Einführschrägen so ver­ bessert, daß ein automatischer Werkzeugwechsel sicher ge­ währleistet ist.

Durch Zusammenwirken der einzelnen Komponenten ergibt sich insgesamt ein leichtes sowie universell und gut handhabbares Werkzeugsystem für den Robotereinsatz, das insbesondere zum Entgraten, Gravieren und Bohrbildkontrolle eingesetzt werden kann. Zum Entgraten können beispielsweise Topfbürsten und verschiedene Pinselbürsten verwendet werden.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbei­ spieles. Es zeigen

Fig. 1 in schematischer Darstellung ein Industrieroboter- System mit Werkzeug und Werkzeugablage und zugehörigem Werk­ zeugwechselsystem.

Fig. 2 den roboterseitigen Teil des Werkzeugwechselsystems und

Fig. 3 den werkzeugseitigen Teil des Werkzeugwechselsystems.

In den Figuren sind identische Teile mit den gleichen Be­ zugszeichen versehen. Die Figuren werden teilweise zusammen beschrieben.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Industrieroboter bezeichnet, der aus Stativ 11 und zugehörigen Roboterarmen 12 bis 17 besteht. Die Elemente 11 bis 17 des Roboters 1 sind über Dreh- oder Schwenkachsen I bis VI gekoppelt. Am Roboterarm 17 ist ein Werkzeug 300 über ein Werkzeugwechselsystem 20 ankoppelbar. Das Werkzeug 300 ist beispielsweise als Bürste zum Entgraten von Aluminium-Druckgußwerkstücken ausgebildet, welches in Fig. 1 mit 2 angedeutet ist und Bohrungen, Nuten sowie Durch­ brüche aufweist. Weiterhin ist eine Ablage 3 als Träger nicht benutzter bzw. ausgetauschter Werkzeuge vorhanden, die aus Querleisten 5 mit Aufnahmegabeln 6 für Werkzeugaufnahmen 310 besteht.

In Fig. 2 ist der roboterseitige Teil des Werkzeugwechsel­ systems 20 im einzelnen erkennbar. Am Roboterarm 17 ist über eine Befestigungseinrichtung 40, auf die weiter unten im einzelnen eingegangen wird, ein Druckluftmotor 21 als An­ trieb mit Antriebswelle 22 befestigt. Auf der Antriebswelle 22 ist eine Aufnahmehülse 23 als Anpaßstück angebracht, die Teil eines Spannfutters 25 ist. Das Spannfutter 25 weist entsprechend dem Stand der Technik einen Innenkegel mit in der Kegelfläche gelagerten Kugeln auf, deren Funktion anhand der Fig. 3 noch beschrieben wird. Zur Fixierung des Spann­ futters 25 ist eine Schiebehülse 26 vorhanden. Die Schiebe­ hülse 26 ist mittels einer mit dem Antrieb 21 mechanisch verbundenen Verschiebeeinrichtung 30 betätigbar. Dafür weist die Schiebehülse 26 eine Ringnut 27 auf, in die eine Gabel 33 mit Widerlager 34 eingreifen kann. Die Gabel 33 ist über eine Schiebestange 32 mit einem Druckluftzylinder 31 verbunden. So­ mit ist eine Linearbewegung der Schiebehülse 26 relativ zum Antriebssystem zum Öffnen und Schließen des Spannfutters 25 und damit Austausch des Werkzeuges 300 möglich.

Zur Befestigungseinrichtung 40 für den roboterseitigen Teil des Werkzeugwechselsystems 20 am Roboterarm 17 gehören wei­ terhin mehrere Kugelbüchsen 41 sowie ein zugehöriger Adap­ tionsflansch 42 mit vorgelagertem Trägerteil 44. Die Kugel­ büchsen 41 und der Adaptionflansch 42 verlaufen in Fig. 2 in zwei Ebenen. Vier Kugelbüchsen 41 a sind mit dem Roboterarm 17 und vier Kugelbüchsen 41 b mit dem Antrieb 21 verbunden. Über darin gelagerte Führungsstangen 43 wird für den Antrieb 21 eine Linearführung gegenüber einem festen Widerlager 49 ge­ bildet.

Durch Zuordnung einer einstellbaren Druckluftfeder 45 zur Linearführung 41, 43 wird der Druckluftmotor 21 gegenüber dem Roboterarm 17 nachgiebig gehaltert. Die Druckluftfeder 45 ist mit einem Halteteil 50 mit der Linearführung 41, 43 gekoppelt und durch ihre Zylinderstange 51 mit dem Adaptions­ flansch 42 verbunden. Mit Hilfe der Druckluftfeder 45 kann der Anpreßdruck der Werkzeuge den technologischen Anforderun­ gen angepaßt und bei der Bearbeitung konstant gehalten wer­ den. Dadurch ist es möglich, Werkstück-, Aufspann- und Bahn­ toleranzen sowie Schwingungen des Roboters auszugleichen.

Der Druckluftfeder 45 können Sensoren zugeordnet werden, beispielsweise drei Endschalter 46, 47 und 48. Speziell der Endschalter 48 dient zur Überwachung des Werkzeugverschlei­ ßes: Durch die Linearführung wird über die Druckluftfeder 45 das Werkzeug nachgestellt. Wenn dabei der Endschalter 48 be­ tätigt ist, wird durch dessen Signal ein Werkzeugaustausch eingeleitet.

Mit dem Endschalter 48 können auch Prüfvorgänge durchge­ führt werden. Bei entsprechender Programmierung und Verwen­ dung eines Prüfstiftes als Werkzeug werden Bohrungen, Nuten­ durchbrüche usw. abgetastet und die Signale mit Sollwerten verglichen. Gegebenenfalls können so auch abgebrochene Werk­ zeuge festgestellt werden. Mit den weiteren Endschaltern 46 und 47 ist es möglich, während der Bearbeitung die Bahnkurve des Roboterarmes in Abhängigkeit von Werkstückabweichungen von den vorgegebenen Sollwerten nachzuregeln. Statt der End­ schalter 46 und 47 kann auch ein Potentiometer zur konti­ nuierlichen Signalaufnahme vorhanden sein.

In Fig. 3 ist als Werkzeug beispielsweise eine Topfbürste 330 mit Welle 331 verwendet. Das Werkzeug ist an eine Werkzeug­ aufnahme 310 angekoppelt, wozu eine Spannzange 320 mit Überwurfmutter 321 vorgesehen ist. Die eigentliche Werkzeug­ aufnahme 310 ist mit einem Konus 311 ausgeformt, der in das Spannfutter 25 eingreifen kann. In der Darstellung gemäß Fig. 3 ist zur besseren Übersichtlichkeit das Spannfutter 25 halb geschnitten dargestellt, so daß der Innenkegel 250 erkennbar ist.

Der Konus 311 der Werkzeugaufnahme 310 weist Mitnehmernuten 312 zum verdrehungssicheren Werkzeugwechsel auf, in die beim Einschieben in das Spannfutter 25 in der Kegelebene liegende Führungskugeln 251 eingreifen. Zu den Mitnehmernuten 312 hin sind von der Seite des Konus 311 her Einführschrägen 313 eingearbeitet, so daß die Führungskugeln 251 immer in korrek­ ten Eingriff gelangen.

Neben den Führungskugeln 251 weist der Innenhohlkegel 250 des Spannfutters weitere, nachgiebig gelagerte Kugeln 252 auf. Diese weichen bei Zurückschieben der Schiebehülse 26 aus und bewirken in bekannter Weise das Verriegeln des Konus 311 der Werkzeugaufnahme 310.

Zwischen dem Konus 311 und der Spannzange 320 der Werk­ zeugaufnahme 310 ist weiterhin eine umlaufende Ringnut 322 eingebracht. Die Ringnut 322 dient zur Ablage der Werkzeug­ aufnahme 320 in die Konsole 3 gemäß Fig. 1 beim Werkzeug­ wechsel.

Mit dem beschriebenen System ist ein sicherer Werkzeug­ wechsel in einfacher Weise möglich: Nach Beendigung eines Arbeitsganges oder Verschleiß eines Werkzeuges fährt der Roboter 1 zum Ablegen des Werkzeuges 300 so in die Werkzeug­ ablage 3, daß die Nut 322 der Werkzeugaufnahme 320 in eine zugehörige Gabel zu liegen kommt. Danach wird mit der pneu­ matisch gelagerten Gabel 33 die Schiebehülse 26 zurückge­ zogen und die Werkzeugaufnahme 310 freigegeben. Der Roboter kann nun vom Kegel der Werkzeugaufnahme 310 herunterfahren und das nächste Werkzeug hohlen. Dazu wird mit zurückge­ zogener Schiebehülse 26 auf den Kegel der Werkzeugaufnahme 310 aufgefahren und dieser durch Aktivierung der Schiebe­ hülse 26 verriegelt.

Mit obiger Technik ist ein sicheres und schnelles Wechseln von Werkzeugen in Analogie zu einem handbetätigten Wechsel gewährleistet. Separate Schritte zum Entspannen des abzule­ genden Werkzeuges, sowie Spannen und Prüfen des zu adaptie­ renden Werkzeuges wie beim Stand der Technik können aber nun entfallen. Das Ablegen und Aufnehmen eines Werkzeuges kann in einer Zeitspanne weniger als zehn Sekunden durchgeführt werden.

Claims (17)

1. Werkzeugwechselsystem für einen Industrieroboter mit freibeweglichem Roboterarm und unterschiedlichen, über Antriebe aktivierbaren Werkzeugen, insbesondere zur Ober­ flächenbearbeitung von Werkstücken, wobei die Werkzeuge jeweils über ein Spannfutter an den Roboterarm ankoppelbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziger Antrieb (21) stationär am Roboterarm (16, 17) angeordnet ist und das Spannfutter (25) trägt und daß die einzelnen Werkzeuge (300) vom Industrieroboter (1) selbst­ tätig an das Spannfutter (25) adaptierbar sind, ohne daß Spannstationen angefahren werden müssen.

2. Werkzeugsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannfutter (25) über eine Aufnahmehülse (23) an den stationären Antrieb (21) angepaßt ist.

3. Werkzeugwechselsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannfutter (25) ei­ nen Innenkegel (250) zum Einschieben von Werkzeugaufnah­ men (310) aufweist, die mittels in der Kegelfläche gelager­ ten Kugeln (251, 252) verriegelbar sind.

4. Werkzeugwechselsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Kegelfläche gelagerten Kugeln (251, 252) teilweise zur verdrehsicheren Führung und teilweise zur Verriegelung der Werkzeugauf­ nahme (310) ausgebildet sind.

5. Werkzeugwechselsystem nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekenzeichnet, daß das Spannfutter (25) mittels einer Schiebehülse (26) betätigbar ist.

6. Werkzeugwechselsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannfutter (25) eine umlaufende Nut (27) zum Eingriff einer Gabel (33) als Teil einer Verschiebeeinrichtung (30) zur Betätigung der Schiebe­ hülse (26) beim selbsttätigen Adaptieren eines Werkzeuges (300) aufweist.

7. Werkzeugwechselsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gabel (33) mit dem Antrieb (21) mechanisch verbunden ist.

8. Werkzeugwechselsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeugaufnahme (310) am Schaft eine Ringnut (322) Ablage der Werkzeuge (300) aufweisen.

9. Werkzeugwechselsystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeugaufnahmen (310) einen Konus (311) mit Mitnehmer­ nuten (312) und Einführungsschrägen (313) haben, um einen verdrehungssicheren Werkzeugwechsel beim Einführen der Werkzeugaufnahme (310) zu gewährleisten.

10. Werkzeugwechselsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als stationärer Antrieb (21) ein Druckluftmotor verwendet ist.

11. Werkzeugwechselsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckluftmotor (21) über eine Linearführung am Roboterarm (16, 16) nachgiebig gehaltert ist.

12. Werkzeugwechselsystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Linearführung durch eine in Kugelbüchsen (41 a, 41 b) gelagerte Führungsstange (43) gebildet ist.

13. Werkzeugwechselsystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Anpreßdruck des Werkzeuges (300) auf das Werkstück (2) mittels einer dem An­ trieb (21) zugeordneten, einstellbaren Druckluftfeder (45) veränderbar ist.

14. Werkzeugwechselsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß dem in Richtung der Linearführung nachgiebig gelagerten Druckluftmotor (21) Sensoren (46 bis 48) zugeordnet sind.

15. Werkzeugwechselsystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Linearführung (41, 43) einen Endschalter (48) zur Kontrolle des Werkzeug­ verschleißes und/oder Prüfung der Werkstückbeschaffenheit aufweist.

16. Werkzeugwechselsystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Linearführung (41, 43) ein Potentiometer oder zwei Endschalter (46, 47) zur Bahnkorrektur der Roboterbewegung aufweist.

17. Werkzeugwechselsystem nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (46 bis 48) an der Druckluftfeder ange­ bracht sind.